CN102066921A - 利用超声波来无损检测受检件的方法以及执行该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超声波来无损检测受检件(100)的方法，包括以下方法步骤：a.将定向超声波脉冲以入射角β射入受检件(100)之中，其中以电子方式调整入射角β；b.记录由入射到受检件(100)之中的超声波脉冲产生的回波信号；c.确定入射位置X0，在该入射位置处可以记录对应于受检件体积中的缺陷(102)的回波信号；d.确定缺陷(102)的ERS值在位置X0处变得最大的入射角β最大；e.将受检件(100)表面上的入射位置从X0变为X1，其中检测入射位置的变化；f.以电子方式调整入射角β，以使得缺陷(102)的ERS值在改变后的入射位置X1处最大。本发明还涉及一种用来执行该方法的装置。

Description

利用超声波来无损检测受检件的方法以及执行该方法的装置
技术领域
本发明涉及一种利用超声波来无损检测受检件的方法，可以按照该方法根据所记录的超声回波信号来确定受检件体积中某个缺陷的等效反射体尺寸。本发明还涉及一种适合用来执行本发明方法的装置。
背景技术
现有技术条件下类似的方法早已为人所知。可利用脉冲回波法将脉冲超声波射入受检件之中，通过等效反射体尺寸ERG(英语ERS″equivalent reflector size″)来描述受检件体积中找到的缺陷，例如缩孔、杂质或裂纹。通过将受检件体积中的缺陷所引起的回波信号的振幅与已知大小的模型参考缺陷进行比较，即可确定该等效反射体尺寸的值。在这种所谓的参考试块法中，检验者使用一个其中植入了一个或多个参考反射体的参考试块作为受检件的等效参考试块，将受检件的回波信号与参考试块上获得的回波信号进行比对。例如可以在参考试块中钻出一些尺寸已知的圆柱形孔。然后将超声波在钻孔处反射时出现的回波信号与检测受检件时获得的回波信号进行比对。因此若采用参考试块法，检验者可使用一个合适的探头，例如一种合适的斜探头，在受检件和预先制备好的参考试块上进行测量。
而如果采用AVG法，则将由受检件体积中某一缺陷所引起的回波信号的振幅与模型参考缺陷的回波信号的理论计算值和/或者经验确定值进行比对，该参考缺陷通常被假设为平圆盘并且在受检件中的深度与检测受检件时所找到的缺陷的深度一样。为此可针对检测过程中所用的探头，预先制作一个包含探头特性曲线的AVG图。AVG图中包含的曲线表示参考缺陷在使用探头进行检测时所产生的回波幅度。在实际执行检测任务时，检验者可以在对受检件进行声波衰减修正(因材料而异的声波衰减)和传输修正(因受检件而异的耦合损失)的情况下直接从AVG图中读出受检件体积中探测出的缺陷的等效反射体尺寸。
在按照AVG法进行检测时，检验者可以改变探头位置和相对于找到的缺陷的方位，并且尝试将所产生的回波信号最大化。该过程在利用超声波来检验材料时也称作“培养”超声波信号。然后针对最大化的超声回波测定所找到的缺陷的等效反射体尺寸。
关于AVG法的详细说明，例如可参阅本申请人的在先权利人的专利US5,511,425A。此外，在
Figure BPA00001310908200021
与合著的“Werkstoffprüfung mit Ultraschall(利用超声波来检验材料)”(第5版，Springer出版社，ISBN 3-540-15754-9，章节19.1，第343～349页)一书中也详细描述了AVG法，这里将该书所发表的关于AVG法的详细技术说明完整引用为本发明申请的公开内容。
当今广为使用的AVG法的缺点在于，必须使用多个探头进行检测，才能对受检件体积中的缺陷进行有说服力的特性描述。其原因在于，对于某一个给定的缺陷而言，并非一定要垂直入射到受检件之中才能输出最大回波振幅，而是取决于缺陷在受检件体积中的方位，即以何种入射角能够获得最大回波信号。因此通常在按照AVG法进行标准化检测时，要使用不同的斜探头来实现不同的入射角，才能使所找到的缺陷的等效反射体尺寸值与实际缺陷尺寸形成合理关系。该方法在实际应用中对于检验者而言需要完成大量的检测和记录工作，因此通常仅以很少的入射角进行检测。除此之外，改变入射角还需要更换探头，由于探头的校准与耦合特性不可能百分之百一致，因此还会引起一些附加问题。这样就难以判读缺陷的ERS值。
发明内容
因此本发明的任务在于，阐述一种利用超声波来对受检件进行无损检测的方法，检验者可利用该方法以简单的方式获得检测结果，然后根据检测结果以全新方式显示受检件体积中所找到的缺陷。此外还提供一种适合于执行本发明所述方法的装置。
采用具有权利要求1所述特征的一种方法以及具有权利要求16所述特征的一种装置，即可解决这一任务。
本发明所述的方法可用来借助超声波来对受检件进行无损检测，尤其能以全新方式显示受检件体积中所找到的缺陷的图形。本发明所述的方法包括以下方法步骤：
a.将定向超声波脉冲以入射角β射入受检件之中，其中以电子方式调整入射角β，
b.记录由入射到受检件之中的超声波脉冲产生的回波信号，
c.确定入射位置X0，在该入射位置处可以记录对应于受检件体积中的缺陷(102)的回波信号，
d.确定缺陷的ERS值在位置X0处变得最大时的入射角β最大，
e.将受检件表面上的入射位置从X0变为X1，其中检测入射位置的变化，以及
f.以电子方式调整入射角β，以使得缺陷(102)的ERS值在改变后的入射位置X1处最大。
例如可以按照下述方式实现入射角的电子调整：根据步骤d中确定的位置X0以及相应的入射角β最大、受检件表面上从X0至X1的入射位置变化、受检件中的缺陷深度，基于简单的几何关系的权衡来确定入射到受检件之中的超声波脉冲在受检件中的缺陷深度中出现在同一位置时所对应的角度β。可以用简单方式，例如根据回波传播时间和入射角β来确定受检件中的缺陷深度。
按照本发明所述方法的另一种可选替代方案，不采用上述主动调整入射角β的方式，而是当检测到受检件表面上的入射位置变化时，针对变化后的入射位置X1再次确定缺陷的ERS值在位置X1处变为最大时所对应的入射角β最大(X1)。
按照本发明所述方法的一种优选实施方式，将受检件体积中所发现的缺陷的最大ERS值图形描绘为随入射角β变化的函数。利用上述方法可以用最简单的方式来生成这种图形描绘，因为可在入射位置X变化时直接确定ERS值变得最大时所对应的角度β最大(X)。结果就能针对超声波发射器在受检件表面上的运动方向，将与入射位置X直接相关的缺陷的ERS值作为随入射角β最大(X)变化的函数，对于该入射角β最大(X)，缺陷的ERS值在给定的入射位置X处变得最大。显而易见的是，通过沿着空间方向在受检件表面上引导超声波发射器，就可以生成不同空间方向的相应的缺陷图形描绘。以这种方式可以生成受检件体积中所找到的缺陷的二维图像。
经过大量试验后发现，缺陷的ERS值常常与照射缺陷的角度有很大关系。该角度与按照本方法将射入受检件的超声波耦合输入到该受检件之中的入射角β直接相关。试验结果表面，可根据所观察到的缺陷的ERS值的角度关系来推断缺陷的基本特性，例如是平面还是立体几何形状，尤其是其对称性。
尤其发现可以根据ERS信号的角度关系来对受检件体积中所找到的缺陷进行分类。如果检验者拥有受检件体积中所找到的缺陷的图形描绘，并且能够至少定性地据此推断缺陷的ERS值与照射角度或入射角β之间的关系，那么就能大大减轻检验者的工作负担。
按照本发明所述方法的另一种优选实施方式，生成受检件的B-扫描图、C-扫描图或者扇形扫描图。在所生成的扫描图中至少显示受检件体积中找到的某一个缺陷的ERS值。这里所涉及的优选是在改变入射角β的情况下在以预定的空间方向照射缺陷时所测定的缺陷的最大ERS值。优选在所生成的扫描图中也显示产生最大ERS值时所对应的入射角β，例如将缺陷的ERS值显示为条柱，该条柱的大小与缺陷的ERS值相关并且其方向垂直于产生缺陷的最大ERS值时的方向。
按照本发明所述方法的另一种优选实施方式，(以计算方式)自动补偿电子调整入射角β对待确定的缺陷的ERS值的影响。如果用来射入定向超声波脉冲的发射探头的超声波发射器包括多个可以相互独立控制的超声波换能器，那么就能以特别简单的方式进行补偿。当需要以电子方式调整入射角β时，可以相位准确地对该多个超声波换能器进行个别控制，从而改变超声波发射器的发射角α以及随之产生的入射角β。
用来将定向超声波脉冲射入受检件之中的发射探头的超声波发射器优选包括多个可以相互独立控制的超声波换能器。当需要以电子方式调整入射角β时，可以相位准确地对该多个超声波换能器进行个别控制，从而改变超声波发射器的发射角α，结果就能直接改变受检件中的入射角β。
优选地，按照本发明所述的方法，在根据对应于缺陷的回波信号来计算受检件体积中找到的缺陷的ERS值时，以计算方式自动补偿电子调整发射角α以及入射角β对测定缺陷的ERS值的影响。可以将本发明所述的发射角和入射角β等同视之，因为它们之间有固定的物理关系。这尤其意味着按照本发明所述的方法至少可以自动执行以下所述的一种修正，但优选能进行多种修正：
■当发射角α或入射角β变化时，对虚拟超声波换能器大小或者与此相关的超声波换能器孔径的变化进行补偿，
■当发射角α或入射角β变化时，对由超声波换能器发射到受检件之中的超声波的耦合输入点位置的变化进行补偿，并且
■当发射角α或入射角β变化时，对受检件中的焦点位置变化进行补偿，
■对由发射角α的变化引起的耦合块中声程的变化进行补偿。
所述相控阵探头特别有助于以电子方式调整入射角β。但这并不意味着按照本发明所述的方法不能使用其它入射角可变的超声波探头，前提条件是可以电子调整入射角并且能够将其量化。
按照本发明所述的方法，有利地使用至少一个AVG图以根据从缺陷反射的回波信号来确定受检件体积中的缺陷的ERS值。所述AVG图可以是因超声波脉冲源而异的，尤其是因所使用的发射探头而异的。此外AVG图还可以是因受检件材料而异的。在第一种实施方式中，AVG图还与入射到受检件之中的超声波入射角β或者与等效的角变量有关。在另一种替代方案中，AVG图与入射角β没有关系，而是按照本发明所述的方法以计算方式补偿入射角β对所记录的回波振幅或者对缺陷的ERS值的影响。
在对受检件进行检测的过程中还应当执行至少一道校准步骤，即检测由参考缺陷所引起的回波的振幅。所述参考缺陷优选是试块的后壁或者试孔，如果是后壁回波，则不必使用单独的试块，可以直接在受检件上执行校准步骤。优选针对多个入射角和/或者参考缺陷执行校准步骤，但并非必须如此。
适用于执行本发明所述方法的装置(以下还将对此进行详细讨论)可以执行标准校准步骤，其中例如也可以在多个预先设置的标准试块中进行选择。
按照该方法的一种优选实施方式，在所生成的图形描绘中至少显示以下一种缺陷特征：
a)缺陷的ERS值最大时的入射角β，
b)关于缺陷的ERS值是否在不同的入射角β上基本上不变或者是否随不同的入射角而变化的信息。
尤其可以在所生成的B扫描图中通过条柱来表示所找到的缺陷，条柱沿其纵轴线的大小与所找到的缺陷的ERS值相关。有利地，使用相同的缩放比例来显示ERS值以及受检件表面上的X位置。本发明所述的条柱应当是相对于两个相互垂直的轴线镜像对称的任意几何图形，例如直线、矩形、椭圆等等。按照本发明所述，将条柱的两个对称轴线的其中一个称作其纵轴线。
为了提高按照本发明所述方法生成的B扫描图的可判读性，尤其为了改善所生成的B扫描图的直观可理解性，有利地在所生成的B扫描图中以适当的方式显示所找到的缺陷的至少一个下述特征：
a)缺陷回波的相对振幅，
b)所找到的缺陷的ERS值最大时的入射角β，例如通过垂直于缺陷的ERS值最大时的入射方向显示代表缺陷的条柱，
c)相对缺陷大小，
d)关于引起缺陷回波的回波声程(例如，斜射声程)的信息，以及
e)关于所找到的缺陷的ERS值在所有被检测的入射角β上是否在预定缺陷极限值内均相同或者不同的信息。
例如可以参照检测受检件时检测到的参考值来注明相对值。
为此可以有利地在B扫描图中使用一个或多个下述显示参数：
a)条柱的颜色，
b)条柱垂直于其纵轴线的尺寸(条柱宽度B)，
c)条柱纵轴线相对于受检件表面的角度，以及
d)条柱的基本几何形状。
以下将针对不同的缺陷特征示例性地详细解释几种显示可能性。
本发明所述缺陷回波的相对振幅指的是关于由受检件体积中的缺陷引起的超声回波(即回波振幅)是否超过某一预定阈值的信息。这种阈值例如可以涉及与参考缺陷的振幅对照的测定缺陷回波振幅。尤其可以用单位″毫米ERS″来注明阈值，例如ERS应当大于或等于例如2毫米或者5毫米的某一个记录极限。
如果按照本发明所述方法改变入射角β，并且确定缺陷的ERS值最大时的入射角β，则可以通过将B扫描图中代表缺陷的条柱的纵轴线相对于受检件表面倾斜显示的方式来向检验者给予用于定位受检件体积中的缺陷的基点。这里有利地如此显示条柱，以使其纵轴线垂直于以缺陷的ERS值最大时的角度α入射的超声波的声轴。
对于检验者和记录而言另一个重要的信息是所找到的缺陷的ERS值是否高于或低于某一预定的记录极限。例如可以在所生成的B扫描图中将缺陷信号完全抑制在某一个阈值下方。此外也可以对这些缺陷信号进行色彩编码，或者将其显示为透明条柱，以便注明记录极限的距离(例如以″mm ERS″或者dB计)。后两种显示方式特别有益，可以提示检验者在检测部位上尽管受检件体积中存在缺陷，但是该缺陷的ERS值很小，按照相关检测规定不需要对其进行记录。
此外对于检验者而言可能感兴趣的还有关于从入射超声波束的哪一个声程会产生回波信号的信息。当检测具有平行面的受检件时，该信息尤其重要，因为经常会出现只有在超声波束在受检件后壁上至少反射一次之后才会由该超声波束检测出缺陷的情况。可以根据缺陷回波的传播时间来确定该信息，然后在B扫描图中例如通过对条柱的色彩编码来向检验者显示该信息。
此外对于检验者而言重要的信息还有受检件体积中找到的缺陷是否为平面或者三维延伸的缺陷。三维延伸的缺陷通常是缩孔或者生产工艺决定的缺陷部位，并且通常没有发生疲劳断裂的危险。而平面延伸的缺陷通常与受检件中的裂纹有关，这些裂纹可能是疲劳现象并且有发展成为引起疲劳断裂的强烈趋势。在本发明所述的方法中，受检件体积中三维延伸的缺陷的特征在于，所产生的缺陷的ERS值基本上与入射角无关。二维延伸的缺陷则与入射角有很大关系。可以在所显示的条柱中对关于是否为平面或者三维延伸的缺陷的信息进行编码。例如可以调整所显示的条柱的长度和宽度，或者选择一种代表缺陷对称性的几何形状，但在该部位也可以有利地使用色彩编码。
除了上述生成B扫描图的方式之外，也可以生成C扫描图(X轴：受检件表面上X轴方向的位置；Y轴：受检件表面上Y轴方向的位置)或者生成扇形扫描图(也称作S扫描图，X轴：与入射点之间的距离/受检件中的深度；Y轴：方位角：入射角)，其适用于特殊应用情况。上述关于在B扫描图中显示所测定的缺陷特性的实施方式可以直接转用于C扫描图和S扫描图。
本发明所述的方法允许使用现代化超声波探头来执行许多检测规范中规定的AVG法，这些探头允许例如在使用相控阵技术的情况下对射入受检件中的入射角进行电子调整。
本发明所述的装置可利用超声波来对受检件进行无损检测。这种装置包括具有超声波发射器的发射探头，其能够将定向超声波脉冲以入射角β射入到受检件之中。此外该装置还包括超声波接收器，其可用来接收入射到受检件之中的超声波脉冲的回波信号。此外还配有控制与分析单元，其可用来控制发射探头的超声波发射器，从而激励超声波发射器发射出超声波脉冲。此外控制与分析单元还可用来处理由超声波接收器接收的回波信号，然后根据能够对应于受检件体积中的缺陷的回波信号来确定缺陷的ERS值。
本发明所述装置的超声波发射器具有多个可以相互独立控制的超声波换能器。控制与分析单元还可用来相位准确地对这些超声波换能器进行个别控制，从而能够以电子方式调整超声波发射器的发射角α以及射入受检件之中的入射角β。控制与分析单元还可用来根据能够对应于缺陷的回波信号，针对多个入射角确定受检件体积中的缺陷的ERS值。
最后，控制与分析单元还可用来确定入射位置X0，在该入射位置X0处能够接收到可对应于受检件体积中的缺陷的回波信号，并且控制与分析单元可确定缺陷的ERS值在位置X0处变得最大时的入射角β最大。控制与分析单元还被设置成在受检件表面上的入射位置从X0变为X1时检测入射位置的变化，并且以电子方式调整入射角β，以使得缺陷的ERS值在改变后的入射位置X1处为最大。
按照本发明所述方法的一种简化实施方式，当受检件表面上的入射位置从X0变为X1时，检测入射位置的变化，然后以电子方式调整入射角β，以使得声束始终在同一位置处击中缺陷。那么就不必以附加的角度变化的方式使ERS值最大化。
按照优选的改进实施方式所述，控制与分析单元可用来执行本发明所述的方法及其不同的特征和改进实施方式。
按照一种特别有益的改进实施方式所述，控制与分析单元尤其可用来生成上述缺陷的图形描绘，从该图形描绘可至少定性地读取所测定的缺陷的ERS值与入射角β之间的关系。
所生成的图形描绘尤其能够反映缺陷的ERS值与入射角β之间的直接关系。检验者可以根据缺陷的ERS值的角度关系，按照以上已经讨论过的方式，推断出缺陷的基本特性。在另一种替代方案中，所生成的缺陷图形描绘是受检件的B扫描图、C扫描图或者扇形扫描图，在其中以适当的方式表示随角度变化的缺陷的ERS值。
按照本发明所述装置的一种特别有益的尤其可以结合受检件的B扫描图、C扫描图或者扇形扫描图的生成的实施方式，所述装置还包括位移检测单元，其可用来检测探头在受检件表面上的位置变化。例如可以利用安装在探头上的机械式位移传感器来实现这种位移检测单元，但也可以使用按照光学鼠标原理工作的光学位移传感器。最后，如果使用相控阵超声波发射器，则也可以考虑将探头在受检件表面上的位置发生变化时所出现的超声波信号的变化用于测定位置。对此可参阅相应的文献。使用线性阵列除了能够检测探头在受检件表面上朝向阵列纵轴线方向的位置变化之外，还能通过依次激励不同分组的换能器的方式在该方向进行电子扫描。使用二维相控阵尤其能够检测两个空间方向上的位置变化，此外还能检测探头在受检件表面上的旋转。
关于在所生成的缺陷图形描绘中反映主要缺陷特性的可能性，已经结合本发明所述的方法对此进行了详细讨论。本发明所述的装置尤其可用来按照本发明所述的方法来生成缺陷图形描绘。
最后，如果控制和分析单元能用来在计算缺陷的ERS值时自动补偿电子调整入射角β对待确定的缺陷的ERS值的影响，则特别有益。
如已经结合本发明所述的方法所说明的，例如可以通过与多个存储着的参考值进行比较的方式来自动确定缺陷的ERS值，其中所述参考值例如可以是一个或多个AVG图。就此而言需注意，除了AVG图之外，还必须有例如来自探头的参考回波可供使用，才能利用本发明所述的方法针对照射缺陷的每一个角度来确定所找到的缺陷的ERS值。
按照一种特别有益的实施方式，在控制与分析单元中存储例如成群地与不同入射角β相关的AVG图形式的大量参考值。这些参考值还可以是因探头而异的，尤其可以是因探头而异的数目个相对于不同入射角β的AVG图。探头优选还具有电子标识符，这样就使得控制单元能够在连接探头时独立地识别探头类型甚至各个探头，并且选择存储着的因探头(类型)而异的参考值。
但是在所有实施方式中，确定所找到的缺陷的(因入射角而异的)ERS值通常要以存在参考值为前提条件，该参考值例如是以相应的角度在试块上检测到的参考值，或者是根据不同测量角度之间的插值得出的参考值。
如果控制和分析单元能用来在计算缺陷的ERS值时自动补偿电子调整入射角β对待确定的缺陷的ERS值的影响，则特别有益。
按照本发明所述装置的一种特别有益的实施方式，该装置的控制和分析单元可用来自动地将超声波发射器的发射角α换算成受检件中产生的入射角β，以便自动补偿电子调整入射角β对待确定的缺陷的ERS值的影响。尤其可以因探头而异地进行这种补偿。此外，控制和分析单元实际上还考虑受检件材料的超声特性，例如声速。
为了自动补偿电子调整入射角β对待确定的缺陷的ERS值的影响，还可以进一步进行改进，即将本发明所述装置的控制和分析单元用来自动补偿因为电子改变入射角β而引起的虚拟超声波发射器尺寸的变化以及探头孔径的变化。可根据超声波发射器的实际几何尺寸朝向超声波发射器的垂直于电子地设置的发射方向的投影来得出虚拟超声波发射器尺寸。如果超声波发射器以不同于0°的发射角α进行发射，则可以直接减小虚拟超声波发射器尺寸。由于必要时要将超声波发射器尺寸纳入检出缺陷的ERS值的计算之中，因此必要时必须进行相应的自动补偿。
另一种改进方式是，将控制与分析单元用来自动补偿因为调整发射角α或入射角β而引起的耦合输入点X0的位移对待确定的缺陷的ERS值的影响。这里也可以自动补偿耦合块中随发射角α的变化而改变的声程长度。
最后还可以自动补偿受检件中的焦点在发射角α变化时由于耦合块中声程长度的变化而产生的位置变化。
最后应注意的是，可以基于存储着的AVG图以两种不同的方式来自动补偿电子调整入射角β对待确定的缺陷的ERS值的影响。控制与分析单元一方面可以用来根据调整入射角β的影响来将实际测量值(即，时间分辨的回波信号)归一化，也就是换算成具有固定入射角β的常规探头的测量结果，然后利用标准化的AVG图对其进行调整。
另一方面可以在创建保存于控制和分析单元中的AVG图时考虑电子的角度调整对回波信号的影响，也就是说，在存储着的AVG图中已经考虑到将要进行的补偿。本发明所述的方法以及本发明所述的装置也包括这种实施方式。
关于本发明所述装置以及本发明所述方法的其它优点和特征，可参阅相关从属权利要求以及以下将根据附图对其进行详细解释的实施例。
附图说明
附图1用于无损检测受检件的本发明所述装置的示意图，
附图2a-2c在不同入射位置x以及不同入射角β条件下记录的受检件的A扫描图，以及关于给定的入射角β的最大振幅A最大随受检件中深度d变化的曲线，
附图3最大回波振幅A最大随入射角β变化的关系图，
附图4因探头而异的角度分辨的AVG图，
附图5探头上的波束几何形状示意图，
附图6代表试样的B扫描图的图示，在其中通过相应的ERS值来代表缺陷，以及
附图7根据附图6绘制的受检件的图示，该受检件包括多个具有不同反射特性的缺陷，
附图8用于检测受检件体积中的缺陷的取决于角度的ERS值的方法的示意图，以及
附图9a、9b受检件体积中两个不同缺陷的取决于角度的ERS值的示意图。
具体实施方式
附图1所示为本发明所述装置1的一种实施例，其可利用超声波来对受检件100进行无损检测。装置1包括一个发射探头10，该发射探头包括一个耦合块16以及一个安装于耦合块上的超声波发射器12。将超声波发射器12适当布置在耦合块16上，从而可在激励超声波发射器12以发射超声波脉冲时将超声波脉冲基本上耦合输入到耦合块16之中。耦合块16可以由例如Plexiglas
Figure BPA00001310908200121
有机玻璃体构成，正如现有技术条件下众所周知的一样。发射探头10的元件均被组装在一个共同的外壳之中，为了清晰起见，附图中没有绘出外壳。附图所示的发射探头10是一种斜探头，其可用来将超声波发射器12射出的超声波脉冲以一定的入射角β(相对于受检件100的入射面法线测定的角度)耦合输入到受检件100之中。可以选用斜探头，但并非一定如此，视应用情况而定，也可以使用垂直入射(即β＝0°)的探头。
发射探头10中所使用的超声波发射器12是一种相控阵超声波发射器，也就是说，超声波发射器12包括多个超声波换能器14，这些超声波换能器至少形成一个线性阵列，并且可以对其进行个别控制。超声波换能器14的该至少线性的阵列的纵轴线被定位在以X标志的方向上。通过有针对性地调整各个超声波换能器14之间的相位，就能在很宽的极限范围内动态地改变发射角α，也就是改变照射方向。
发射探头10在附图所示的实施例中包括一个机械式位移传感器18，该位移传感器以机械方式扫描发射探头10在受检件100表面上的运动，并且可将相应的位置信息提供给例如与发射探头10相连的控制单元50。位移传感器18也可以例如按照光学鼠标原理以非接触方式工作。位移传感器18(无论哪一种结构型式)优选能够在两个相互独立的方向上探测发射探头10在受检件100表面上的运动。如果也能探测发射探头10在受检件表面上的旋转运动，则特别有益。根据US 7,324,910B2所公开的技术以及2007年6月26日在德国专利申请Az.102007028876.1中所公开的改进实施方式，完全可以不必使用单独的位移传感器，因为可以从超声波发射器12的信号获取全部位置信息。
与发射探头10相连的控制单元50可用来相位准确地对布置在发射探头10的超声波发射器12中的超声波换能器14进行个别控制。控制单元50还可用来与一个超声波接收器40相连，以便接收从受检件10反射回来的、由超声波发射器12射入的超声波脉冲所产生的回波信号。在附图所示的实施例中，布置在发射探头10中的超声波发射器12也可作为超声波接收器40。为此可在发射出一个发射脉冲之后，将包含在超声波发射器12中的独立构造的可以个别控制的超声波换能器14连通到大面积的超声波发射器12，此后该发射器就会起到超声波接收器40的作用。当然也可以使用独立构造的超声波接收器40，例如可以将其布置在一个独立构造的接收探头之中。这种独立的接收探头在本实施例中同样也可包括一个与发射探头10的耦合块16一样的耦合块。
为了对受检件100进行无损检测，例如检测隐藏在受检件100体积中的缺陷102，可将发射探头10与控制单元50相连，然后将发射探头10放在受检件100的表面上。通常使用一种适当的耦合剂来将发射探头10声耦合到受检件100上，所述耦合剂例如是水、油或者水基凝胶。
所述受检件100优选是一种机械工件或工具，但也可以是一种生物试样。
检验者可以将发射探头10沿着附图1中以X标志的方向在受检件100表面上来回移动，同时观察对应于控制单元50的显示装置52上的显示，在附图所示的实施例中，该显示装置是整合在控制单元50之中的显示器。在附图所示的实施例中，在显示装置52上显示A图像，在该图像中将对应于给定入射点X的反射超声波脉冲的振幅表示为随时间变化的函数。如果发射探头10射出的声束遇到受检件100体积中的某一个缺陷102，也就是说遇到能够反射超声波的例如缺陷部位、缩孔或裂纹之类的结构，那么一部分入射声束就会被反射回来，然后以同样的路径返回到发射探头的超声波发射器12。如前所述，该发射器同时也起到超声波接收器40的作用，其可将反射回来的声信号转换成电信号，然后在必要时以适当方式将该电信号放大并输出给控制单元50。在控制单元50中以适当方式处理接收到的回波信号，该回波信号是发射探头10可以传输的电信号，但也可以是光信号，该处理例如可以通过高时间分辨率的模数转换和信号处理来进行。然后在显示装置52上显示上述A扫描图形式的信号。如果射入的超声波束遇到一个缺陷102，就会产生能够在A扫描图中直接看见的回波信号。优选在入射角β固定的情况下实现上述方法。
如果检验者已采用上述方法来探测缺陷102，则要尝试通过改变发射探头10在受检件100表面上的X位置来使所产生的缺陷信号的振幅最大化，也就是培养信号。该信号培养也是针对某一个固定的入射角β1进行的。附图2a所示是在不同入射点X1、X2和X3上培养回波信号时所产生的A扫描图。很显然，由于受检件100中的声程变化，会在不同时刻出现回波信号，此外其最大振幅也会变化。其原因在于，当发射探头10在受检件100表面上移动时，会使得声压最高的声锥中心在缺陷102上方移动。当声束中心遇到缺陷102时，通常会在回波信号中产生最大振幅。如果在入射点X改变时针对某一个固定的入射角β1测定所有回波信号的包络线，就能将回波振幅表示为随传播时间或者随受检件100中的缺陷102的深度变化的函数，如附图2a的右图所示。可以根据该图来确定在所选择的入射角β1条件下产生的最大回波振幅A最大(β1)。
然后检验者就可以改变入射角β，从而能够针对改变后的入射角β2再次进行相同的检测。按照一种(半)自动化检测方法所述，也可以自动调整角度，从而产生振幅随时间或者随受检件100中的缺陷102的深度变化的曲线图，如附图2b的右图所示。这里在入射角β2条件下产生的最大回波振幅并非一定要等于第一次所选择的入射角β1条件下的回波振幅，只要不是一种有规则形状的缺陷，这里通常甚至存在偏差。
如果补偿因不同入射角β1和β2所引起的不同传播时间，则上述包络线A最大(β)示意图中的峰值基本上处在相同的位置D0。但如果不对传播时间进行补偿，则峰值会在不同的位置上。
附图2c所示为在再次改变的入射角β3条件下执行该方法的结果。
就上述方法而言，可以利用相控阵类型的超声波发射器12的有利的发射特性来以电子方式调整入射角β。
按照另一种替代实施方式，控制单元50可用来针对给定的入射点X通过改变入射角β的方式来自动地优化所产生的回波信号。
如果将不同入射角β条件下产生的最大振幅A最大作为竖轴，将相应的入射角β作为横轴，就会得到附图3所示的曲线图。现在可以根据该图或者所基于的回波数据来确定检测到的缺陷102呈现最大回波振幅A最大时的入射角β。这样就能以简单的方式来说明和分析缺陷102的超声波反射特性的角度关系。以上所讨论的是针对缺陷102的类型对所获得的特性曲线的可能解读。
按照以上所述对受检件进行实际检测之前(与具有固定入射角β的探头的现有技术一样)，首先要确定所谓的AVG图。AVG图所表达的是不同直径的圆盘反射体以及平面延伸的反射体的回波振幅(后壁回波)随距离变化的函数关系，也就是随受检件中深度d变化的函数关系。与现有技术条件下已知的AVG图以及例如以数字形式在其中保存因探头而异的AVG图的超声波检测装置的不同之处在于，按照本发明所述还能够以时间分辨的方式记录或者生成AVG图，且必要时可将其保存在控制单元50之中。例如附图4示出在预定的圆盘反射体直径情况下随距离d变化或者随角度β变化的这种AVG图。
为了利用允许以电子方式来改变入射到受检件100之中的入射角β的相控阵探头来测定缺陷的ERS值，可能需要以不同的方式来调整现有技术条件下已知的、基于理论考虑的普通AVG图(参考US 5,511,425A)。一方面需要校准因探头而异的AVG图，以便考虑受检件材料的超声特性并且补偿因探头而异的效应(例如超声波换能器的老化)或者发射探头与受检件之间的耦合变化。为此，在对受检件100进行实际检测之前，大多数检测规范均要求执行一道校准步骤，以便对可能已经保存在装置1中的普通AVG图进行校准。
除此之外，在利用相控阵探头以电子方式改变入射角β时，还要考虑探头的超声特性也会因为角度改变而发生变化。鉴于这一原因，必须将以前针对某一入射角确定的普通AVG图换算成其它(电子方式设置的)入射角β。尤其可以在该装置本身中执行这种换算，从而不需要保存大量针对不同入射角β的因探头而异的AVG图。按照另一种替代方案，当然也可以在装置1中保存大量涉及多个入射角β的例如因探头而异的AVG图。这里也可以根据经验确定或者以理论方式计算AVG图。
如前所述，在采用本发明所述的装置时，能够以电子方式调整入射角β。如附图5所示，在具有一个耦合块的斜探头情况下，当以电子方式调整入射角β时，不仅入射到受检件之中的声束的耦合输入点会改变ΔX，而且当声束从耦合块转入到受检件之中时，声束的直径也会变化。也可以将其解释为超声波发射器12的虚拟尺寸变化(D-＞D′)，采用上述AVG图的时候同样必须对该变化加以考虑。以这种方式就能借助简单的几何考虑因素以及声学折射定律来计算以电子方式改变入射角β对耦合输入点的变化以及虚拟超声波发射器(12)的尺寸的影响。
现在为了确定受检件体积中找到的缺陷的等效反射体尺寸ERS，检验者(与现有技术条件下已知的具有固定入射角β的探头的装置一样)可以在控制单元50的显示装置52上显示AVG曲线，该曲线对应于已经过电子调整并且已产生最大回波信号A最大的入射角β。在真正检测参考缺陷之前就已检定了AVG曲线，例如可以将该参考缺陷植入到试块之中。所谓“检定”指的是校准所用探头的灵敏性。通常从标准化的所谓″K1-″或者″K2-″试块处的后壁回波获得所需的参考回波(视所用探头的频率而定)。由于在这些情况下所涉及的并不是平面的后壁，因此必须(通常按照探头制造商的规定)进行圆弧修正。而用构件构成的参考反射体则极为罕见。
屏幕上显示的AVG曲线对应于某一个预定的等效反射体尺寸，该等效反射体尺寸则通常对应于检测规范所规定的记录极限。如果找到其回波超过屏幕上所显示的AVG曲线的缺陷，则控制单元50就会例如自动地注明所得到的等效反射体尺寸ERS(要么以超过记录极限的dB为单位，或者直接以毫米为单位)。在标注脉冲直至所找到的缺陷的传播时间的情况下，检验者可以在AVG曲线中直接读取缺陷的等效反射体尺寸ERS。
在一种很大程度上自动化的检测例程中，检验者按照前述处理方式扫描受检件100的表面，直至找到其认为可归因于受检件100体积中某一个缺陷102的回波信号。如有必要，检验者可在将本发明所述装置1的控制和分析单元50转换到自动检测模式之前，首先以手工方式适当优化缺陷信号。控制单元50在该模式下适当控制超声波发射器12，以使得射入受检件之中的声束的耦合输入点朝向X方向在受检件100的表面上移动。控制单元50同时检测所产生的缺陷回波的作为耦合输入点的函数的振幅，并且确定最大回波振幅。这时入射角β保持不变。
在随后的方法步骤中，控制单元50改变入射角，从而以另一个角度β2照射受检件100体积中待测量的缺陷102。控制单元50也通过适当地控制超声波发射器12的方式改变射入受检件之中的声束的耦合输入点，其中同时检测所产生的回波振幅。这里也可在调整好入射角β2之后确定最大回波振幅A最大(β2)，即检验者“培养”缺陷信号。
通过与一个或多个因探头或角度而异的AVG图进行比较，本发明所述装置的控制单元50就能自动确定测定缺陷102的ERS值。为此，控制单元50将自动补偿电子改变超声波发射器12的发射角α对射入到受检件之中的超声波束的耦合输入点的影响，以及对超声波脉冲从超声波发射器12直至缺陷102的传播时间的影响。此外控制单元50同样也自动补偿电子改变超声波发射器12的发射角α对以上所述虚拟发射器尺寸的影响。控制单元50也自动补偿受检件中的焦点位置变化以及耦合块中变化的声程所引起的耦合块中传播时间的变化。最后，控制单元50还自动将发射角α换算成入射角β，其中必要时也考虑受检件的材料特性。
结果，不仅能以手动执行的、而且也能以自动执行的检测方法，获得受检件100体积中所发现的缺陷102的ERS值以及产生最大缺陷信号A最大时的入射角β。然后可以记录这些数据。
如果还存在关于探头的位置信息，则可以在例如附图6所示的B扫描图中或者在C扫描图或S扫描图中以直观方式显示检测结果。那么，可以在B扫描图中显示长度为L的条柱，其在受检件的表面上的X位置对应于计算出来的缺陷所在位置X0。在Y方向上，条柱位于深度D0之中，这对应于受检件100体积中的缺陷的计算深度。此外，将表示测定缺陷102的条柱的长度L与按照本发明所述检测方法确定的缺陷的等效反射体尺寸ERS直接关联起来。除此之外有利的是，将条柱的方位与产生最大回波信号A最大时的入射角β直接关联起来。为此，可以相对于X轴倾斜显示条柱的纵轴线，以使得条柱垂直于声传播方向，该声传播方向对应于得到最大回波信号时的入射角β。附图6所示B扫描图中的条柱方位因此向检验者直接给出关于受检件中的测定缺陷的方位信息，同样也可以将该信息记录并保存起来。同样也可在与控制单元50相连的显示装置52上向检验者显示附图6所示的B扫描图。控制单元50优选还可用来将所保存的数据传输给能够对该数据进行继续分析的PC机。
附图7所示为受检件100的另一个B扫描图，从中可看出受检件100体积中的三个缺陷102。这些缺陷处在X1、X2以及X3位置上。在X1和X3位置上发现的缺陷102表明回波信号与入射角之间有很大关系，也就是说，入射角β变化时产生的最大缺陷回波振幅A最大的变化超过某一阈值。据此可以推断所涉及的是平面延伸的缺陷102，在附图7的B扫描图中将这些缺陷显示为基本上一维的符号。
而在X2位置发现的缺陷102则表明回波振幅基本上与入射角β没有关系，也就是说，所产生的回波振幅变化保持在某一预定的阈值之下。据此可以推断是一种统一的三维延伸的缺陷102，在附图7的B扫描图中以一个二维缺陷符号表示(例如图中所示的圆盘)，其直径与该缺陷的等效反射体尺寸ERS有关。
附图8所示为一种同样也在本发明所述装置1中实现的新方法。在第一个方法步骤中由装置1控制发射探头10，以使其将超声波脉冲以固定的入射角β射入到受检件100之中。如果检验者发现了受检件100体积中的某一个缺陷102，则可以培养缺陷信号，直至信号振幅变为最大。在下一个步骤中激活一种“扫描”功能，其中由装置1控制探头10，以使得以电子方式在预定的时间间隔之内改变射入到受检件100之中的入射角β。装置100还可用来根据不同入射角β条件下接收的缺陷回波来确定最大缺陷回波以及相应的入射角β最大。如果改变发射探头10在受检件100表面上的位置，那么缺陷回波最大时的入射角β就会发生变化，因为通常只有当超声波束检测缺陷中央时，才能获得最大缺陷回波。如果按照以上所述执行电子的角度扫描，则装置1就能全自动地找到缺陷回波变得最大时的入射角β。通过改变发射探头10在受检件100表面上的位置，可以利用上述方法自动地针对不同的入射角β确定最大缺陷回波。一方面可以通过发射探头10的机械运动来改变发射探头10在受检件100表面上的位置，但也可以按在超声波发射器12中的大量个体超声波换能器14之内进行线性扫描的方式虚拟地改变该位置(即所谓的“电子线性扫描”)。
如果在设备中保存了至少一个例如附图4所示的可以用理论计算方式或者利用实际测量得出的AVG图，则可以根据该图从为某一入射角β所确定的最大缺陷回波振幅来确定该角度下的缺陷的ERS值。必要时可能需要在真正检测受检件100之前，根据不同入射角条件下在试块上获得的参考回波来对保存在设备之中的AVG图进行因探头或材料而异的校准。AVG方法尤其允许自动补偿不同入射角条件下在受检件中产生的不同声程。
在确定受检件100体积中的缺陷102的因角度而异的ERS值时，装置1也可以采用位移检测单元18提供的位置信息。如上所述，在第一个步骤中针对某一个固定的入射角β寻找缺陷回波的振幅变得最大时发射探头10在受检件100表面上的位置。
检验者随后激活装置1上的″跟踪″功能。当激活该功能时，装置1就可用来在发射探头10位置变化时利用适当的几何计算方法来调整发射探头10上的入射角β，从而即使当发射探头位置改变时，超声波束也能检测受检件100中的缺陷102中央。当发射探头10在受检件100表面上移动时，可利用上述跟踪功能，随时用超声波束检测所发现的缺陷102中央，从而可以将所产生的缺陷回波认为是关于所调整的入射角β的最大缺陷回波。因此可以直接通过改变发射探头10在受检件100表面上的位置的方式，将最大缺陷回波记录为入射角β的函数，然后据此确定缺陷102的随角度变化的作为角度β的函数的ERS值。
附图9a和9b所示为受检件100体积中两个不同缺陷102的ERS值随角度变化的曲线。附图9a所示缺陷102的ERS值仅仅随入射角β微弱变化。显然这一缺陷102的超声反射特性实际上与超声波束照射该缺陷的角度无关。因此可以认为该缺陷至少关于上述探测过程中改变发射探头10位置的空间方向基本上呈各向同性。
而附图9b所示则是其ERS值与入射角β关系很大的一种缺陷，也就是说，缺陷102的超声反射特性与超声波束检测缺陷102的角度有很大关系。可认为待分类的缺陷102至少关于移动发射探头以检测ERS值的角度关系的空间方向呈很大的各向异性。所涉及的例如很可能是必须记录的裂纹，因此应当以适当的方式，例如按照之前已经解释过的方式，在装置1生成的B扫描图、C扫描图或者扇形扫描图中突出显示出来。

Claims (26)

1.一种利用超声波来对受检件(100)进行无损检测的方法，包括以下方法步骤：
a.将定向超声波脉冲以入射角β射入所述受检件(100)之中，其中以电子方式调整所述入射角β，
b.记录由入射到所述受检件(100)之中的所述超声波脉冲产生的回波信号，
c.确定入射位置X0，在该入射位置X0处能够记录对应于受检件体积中的缺陷(102)的回波信号，
d.确定所述缺陷(102)的ERS值在所述位置X0处变得最大时的入射角β最大，
e.将受检件(100)表面上的入射位置从X0变为X1，其中检测所述入射位置的变化，以及
f.以电子方式调整入射角β，以使得所述缺陷(102)的所述ERS值在改变后的入射位置X1处最大。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成最大ERS值的图形描绘作为入射角β的函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述受检件(100)的B扫描图、C扫描图或者扇形扫描图，其中至少显示所述受检件(100)体积中发现的缺陷(102)的ERS值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，显示所述受检件体积中发现的所述缺陷(102)随所述入射角β变化的关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，自动补偿电子调整所述入射角β对所述缺陷(102)的待确定的ERS值的影响。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
a.使用发射探头(10)来射入定向超声波脉冲，所述发射探头的超声波发射器(12)包括多个能够相互独立控制的超声波换能器(14)，并且
b.相位准确地个别控制所述多个超声波换能器(14)，从而改变所述超声波发射器(12)的发射角α，以便以电子方式调整所述入射角β。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用至少一个AVG图以根据所述回波信号来确定所述缺陷的所述ERS值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述AVG图是因超声波脉冲源而异的。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述AVG图具有随所述入射角β变化的关系。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述AVG图与所述入射角β没有关系，并且所述入射角β对所记录的回波振幅的影响是以计算方式来补偿的。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述受检件(100)进行检测时至少执行一次校准步骤，其中检测由参考缺陷引起的回波的振幅。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述参考缺陷是试块的后壁或者试孔。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，针对多个入射角β执行所述校准步骤。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所生成的所述缺陷(102)的图形描绘中至少显示所述缺陷(102)的以下某一个特性：
a.所述缺陷(102)的ERS值最大时的入射角β，
b.关于所述缺陷(102)的ERS值是否随不同的入射角β基本上不变的信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
a.在所生成的图形描绘中将所述缺陷(102)显示为条柱，并且
b.使用至少一个以下显示参数来对待显示的缺陷特性进行编码：
i.颜色，
ii.条柱纵轴线相对于所述受检件(100)表面的角度，
iii.条柱的基本几何形状。
16.一种利用超声波来对受检件(100)进行无损检测的装置(1)，包括：
a.具有超声波发射器(12)的发射探头(10)，所述超声波发射器(12)将定向超声波脉冲以入射角β射入到所述受检件(100)之中，
b.超声波接收器(40)，用于接收射入到所述受检件(100)之中的所述超声波脉冲的回波信号，
c.控制与分析单元(50)，用于
i.控制所述发射探头(10)的所述超声波发射器(12)，从而激励所述超声波发射器(12)射出超声波脉冲，
ii.处理由所述超声波接收器(40)所接收的回波信号，并且
iii.根据能够对应于受检件(100)体积中的缺陷(102)的回波信号来确定所述缺陷(102)的ERS值，
其特征在于，
d.所述超声波发射器(12)包括多个能够相互独立控制的超声波换能器(14)，并且
e.所述控制与分析单元(50)用于
i.相位准确地个别控制所述多个超声波换能器(14)，从而能够以电子方式调整所述超声波发射器(12)的发射角α并且因此改变射入到所述受检件(100)之中的入射角β，
ii.确定入射位置X0，在该入射位置处能够记录能够对应于所述受检件体积中的缺陷(102)的回波信号，
iii.确定所述缺陷(102)的ERS值在所述位置X0处变得最大时的入射角β最大，
iv.当受检件(100)表面上的入射位置从X0变为X1时
1.检测所述入射位置的变化，并且
2.以电子方式调整所述入射角β，以使得所述缺陷(102)的ERS值在改变后的入射位置X1处最大。
17.根据权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述装置还用于生成最大ERS值的图形描绘作为所述入射角β的函数。
18.根据权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述装置还用来生成所述受检件(100)的B扫描图、C扫描图或者扇形扫描图，其中至少显示所述受检件(100)体积中发现的缺陷(102)的ERS值。
19.根据权利要求18所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)还用来显示所述受检件体积中发现的所述缺陷(102)的ERS值随所述入射角β变化的关系。
20.根据权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述装置还用来自动补偿电子调整所述入射角β对所述缺陷(102)的待确定的ERS值的影响。
21.根据权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所生成的图形描绘是B扫描图、C扫描图或者扇形扫描图。
22.根据权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述控制与分析单元(50)用来在计算所述缺陷(102)的ERS值时自动补偿电子调整所述入射角β对所述缺陷(102)的待确定的ERS值的影响。
23.根据权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述装置还包括位移检测单元(18)，该位移检测单元(18)用来检测所述探头(10)在所述受检件(100)表面上的位置变化。
24.根据权利要求18所述的装置(1)，其特征在于，在所生成的扫描图中通过条柱来表示缺陷(102)，所述条柱沿其纵轴线延伸的长度与所述缺陷(102)的ERS值相关。
25.根据权利要求18所述的装置(1)，其特征在于，在所生成的扫描图中显示缺陷(102)的以下其他特性中的至少一个特性：
a.所述缺陷回波的相对振幅，
b.所述缺陷(102)的ERS值最大时的入射角β，
c.相对缺陷大小，
d.引起所述缺陷回波的斜射声程，以及
e.关于所述缺陷(102)的ERS值是否随不同的入射角β基本上不变的信息。
26.根据权利要求25所述的装置(1)，其特征在于，使用至少一个以下显示参数来对待显示的其它缺陷特性进行编码：
a.颜色，
b.条柱垂直于其纵轴线的尺寸，
c.条柱纵轴线相对于所述受检件表面的角度，
d.条柱的基本几何形状。
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